PET降解催化剂的设计和性能研究

作     者：马欣悦 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈晓春

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：PET降解 乙二醇 离子液体 催化剂 

摘      要：聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,简称PET)是一种常见的热塑性聚酯,因其具有良好的性能被应用于包装、绝缘等领域。PET具有很高的化学稳定性,极易造成废弃PET的环境累积,从而导致严重的环境问题。因此如何回收、降解PET来实现聚酯的循环利用一直是人们关心的热门问题。离子液体具有的阳离子和阴离子都能与反应物相互作用,这些相互作用能够促进PET降解,使离子液体具有优异的催化性能。本文以二乙烯三胺为基础合成了一系列催化剂,希望通过这类离子液体的阴阳离子协同催化作用促进PET的降解。本文以二乙烯三胺为基础合成了一系列非金属离子液体([DETA]OAc、[DETA]IM、[DETA]PhO、[TETA]PhO、[TETA]IM),并将这些离子液体作为乙二醇醇解PET的催化剂使用,借助红外光谱和核磁共振分析方法测试验证了这几种离子液体的结构。在相同的条件下进行实验,发现[DETA]OAc具有最好的催化活性。经过单因素分析法,得出[DETA]OAc的最优反应条件为:反应温度195℃、反应时间90 min、催化剂使用量0.2g、乙二醇使用量30 g、PET加入量5 g。在以上条件下,单体产率达到了82.69%。使用DFT计算了[DETA]OAc与乙二醇作用后的结构,发现催化剂与乙二醇中的羟基氧作用产生氢键,将羟基上O-H的距离从0.96273(?)拉长到0.96454(?),使乙二醇中羟基氧的电负性增大,增强了乙二醇的亲核攻击能力,从而攻击PET中的酯键,乙二醇脱离的羟基氢入侵PET酯键的C-O单键,达到降解效果。本文向催化剂中引入了过渡金属盐,在相同的条件下比较了含有五种不同金属阴离子的离子液体([DETA]OAc/Zn(OAc)、[DETA]OAc/Co(OAc)、[DETA]OAc/Mn(OAc)、[DETA]OAc/Ni(OAc)、[DETA]OAc/Cu(OAc))作为催化剂降解PET的能力。发现含有金属锌的离子液体具有最佳的催化效果。在反应温度195℃,反应时间15 min、催化剂使用量0.1 g,乙二醇使用量20 g,PET加入量5 g的实验条件下,该含有锌的离子液体具有最高的催化活性,降解实验达到了100%的转化率和80.78%的产率。在相同的条件下,改变离子液体中金属盐的加入比例进一步进行降解实验,经单因素研究结果表明催化剂的最优反应条件是:反应温度195℃、反应时间15 min、催化剂使用量0.1 g、乙二醇使用量20g、PET加入量5 g。此时反应达到了100%的转化率和83.39%的产率。在经过五次循环使用后,BHET单体的产率和选择性略有下降,但仍有良好的催化活性。探究了在[DETA]OAc/2[Zn(OAc)]的作用下,PET的乙二醇醇解反应动力学,研究结果表明该反应是一级反应,反应的活化能Ea是162.2 kJ/mol。